全 文 ：第 49 卷 第 9 期
2 0 1 3 年 9 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 9
Sep．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130918
收稿日期:2012 － 06 － 11;修回日期:2013 － 06 － 02。
基金项目:林业公益性行业科研专项(201104001) ;农业成果转化资金项目“珍贵用材树种楸树优良新品种的中试与示范”
(2008GB24320414)。
* 王军辉为通讯作者。
楸树新无性系木材的物理力学性质*
麻文俊1 张守攻1 王军辉1 翟文继2 崔永志3 王秋霞2
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091;
2. 河南省南阳市林业科学研究所 南阳 473000;3. 东北林业大学 哈尔滨 150040)
摘 要: 对采自于河南省南阳市的 21 年生楸树新无性系宛楸 8401 和宛楸 8402 与生产上广泛应用的金丝楸无
性系进行木材主要物理力学性质的对比研究。结果表明:3 个无性系的基本密度、气干密度、端面硬度、弦面硬度、
径面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、冲击韧性、弦向抗剪强度和径向抗剪强度差异
极显著，宛楸 8401 和金丝楸相近，且显著优于宛楸 8402;3 个无性系的成熟材与幼龄材的物理力学性质也表现出
显著差异;与黄菠萝、核桃楸、红椿和香樟相比，宛楸 8401 和金丝楸与香樟和黄菠萝相近，优于红椿，但是比核桃楸
稍差，宛楸 8402 与红椿相近。
关键词: 楸树;新无性系;木材;物理力学性质;差异
中图分类号:S781 文献标识码:A 文章编号:1001 － 7488(2013)09 － 0126 － 09
Timber Physical and Mechanical Properties of New Catalpa bungei Clones
Ma Wenjun1 Zhang Shougong1 Wang Junhui1 Zhai Wenji2 Cui Yongzhi3 Wang Qiuxia2
(1. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation，State Forestry Administration Research Institute of Forestry，CAF Beijing 100091;
2. Nanyang Forestry Research Institute，Henan Province Nanyang 473000;3. Northeast Forestry University Harbin 150040)
Abstract: In order to study the differences of physical and mechanical properties between two new Catalpa bungei
clones“Wanqiu 8401”，“Wanqiu 8402”and“Jinsiqiu”，three ramets of each clone were determination． The results
showed that basic density，air-dried density，hardness of end surface，hardness of tangential section，hardness of radial
section，bending strength，modulus of elasticity，compression strength parallel to grain，tensile strength parallel to grain，
toughness，shear strength parallel to grain of tangential direction and shear strength parallel to grain of radial direction had
significant differences among clones． “Wanqiu 8401”and“Jinsiqiu”were highly similar，which was significantly better
than“Wanqiu 8402”． Also，significant differences was obversed between mature wood and juvenile wood of three clones．
Additionally，three clones were comparison with other timber which were popular in China，“Wanqiu 8401” and
“Jinsiqiu”were better than Toona ciliate，but worse than Juglans mandshurica，“Wanqiu 8402”and Toona ciliata were
highly similar，“Wanqiu 8401”，“Jinsiqiu”and Cinnamomum camphora，Phellodendron amurense were highly similar．
Key words: Catalpa bungei;new clones;timber;physical and mechanical properties;differences
木材物理力学性质是木材的主要材性指标(成
俊卿，1985) ，并且，木材材性改良已经成为林木遗
传改良的主要研究方向之一。国内外已针对主要用
材树种开展了广泛的材性研究工作，并取得了显著
成效。张双燕等(2006)研究发现日本落叶松(Larix
kaempferi)木材比日本花柏(Chamaecyparis pisifera)
木材的弦径干缩差异大，并且日本花柏木材的干缩
率大;李因刚等(2010)对比研究了桤木(Alnus
cremastogyne)、黄山栾树(Koelreuteria bipinnata var．
integrifoliola)、枫杨(Pterocarya stenoptera)、法国梧桐
(Platanus orientalis)等 15 个五金工具柄用材树种幼
龄材的物理力学性质，发现各项物理力学性质在树
种间均存在极显著差异;Shanavas等(2006)研究发
现大叶相思(Acacia auriculaeformis)与马占相思
(Acacia mangium)的基本密度、体积干缩系数、端面
硬度存在显著差异;童再康等(2002)对 10 个黑杨
(Populus nigra)新无性系的木材物理力学性质研究
表明，木材物理性质在速生无性系间无显著差异，而
第 9 期 麻文俊等:楸树新无性系木材的物理力学性质
力学性质差异显著或极显著;刘迎涛等(2005)对红
松(Pinus koraiensis)的研究表明，幼龄材的力学性质
较成熟材低;Guler 等(2007)研究表明黑松(Pinus
nigra)幼龄材的物理力学性质与成熟材相比均较
低。通过以上研究可知，木材的物理力学性质差异
是普遍存在的。因此，针对广泛存在的木材物理力
学性质方面的巨大异差，结合不同材种的特性和用
途开展材性遗传改良研究，能获得较为理想的效果。
楸树(Catalpa bungei)为紫葳科(Bignoniaceae)
梓树属(Catalpa)植物，原产我国，分布范围广，栽培
历史悠久，至今已有2 600多年(潘庆凯等，1991) ，
是著名的优质珍贵用材树种。虽然其适应性强，在
我国分布甚广，但由于长期以来人们无节制地砍伐
利用，致使这一珍贵树种资源急剧下降，濒于枯竭。
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，
对于珍贵用材的需求量越来越大，目前楸木极缺，价
格超过一般木材数倍，且大径材奇缺。如何改善资
源缺乏的状况，在保证楸木优良品质的前提下，提高
其生长量，增加木材供应量，成为楸树遗传改良的迫
切需求。“七五”期间，楸树协作组在鄂北、鄂西及
河南省南阳市的 13 个县(市)区收集了 55 株优树，
通过根蘖繁殖，于 1983 年在河南省南阳市林科所苗
圃地进行苗期对比测试，初选了 11 个无性系进入中
试阶段，1987 年在南阳市唐河县昝岗乡大方庄村营
造良种选育试验林。经 21 年后，选出了宛楸 8401
和宛楸 8402 两个优良无性系。宛楸 8401 和宛楸
8402 的生长明显优于生产上广泛使用的优良楸树
品种———金丝楸，但由于未进行木材材性测定，所以
到目前为止，对宛楸 8401 和宛楸 8402 与金丝楸的
木材材性差异并不了解。为此，本文在 21 年生人工
林中选取宛楸 8401、宛楸 8402 和金丝楸无性系进
行木材物理力学性质测定，对比分析无性系间、幼龄
材与成熟材间的差异，旨在揭示新选无性系与推广
品种之间木材物理力学性质的差异，为优良无性系
的推广应用和培育措施提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 无性系试验地概况
楸树无性系示范林位于南阳市唐河县昝岗乡大
方庄村，地理位置 110°58—113°49 E，32°17—33°
48 N，属于典型的季风型大陆性半湿润气候，冬季
寒冷，夏季较热，春季温暖，秋季凉爽，四季分明。年
降雨量800 ～ 1 000 mm，年平均气温 14. 4 ～ 15. 8 ℃，
极端最高气温 42. 6 ℃，极端最低气温 － 13. 2 ℃，≥
10 ℃ 年平均积温 5 123. 2 ℃，年平均日照时数
2 121 h，年平均无霜期 225 ～ 240 天。土壤为砂姜
黑土，肥力较差。
1. 2 试验材料
楸树样木于 2007年 6月取自楸树无性系示范林
(1987年造林，株行距为 4 m × 5 m) ，分别为宛楸
8401、宛楸 8402和金丝楸，在示范林内每个无性系取
样 3株标准木(由于无性系试验林树木株数有限，还
要长期观测，故不能多采伐;而且是无性系，基因相
同，性质比较接近，3株数据具有一定的代表性)。
1. 3 测试内容和方法
由于幼龄材生长过程中纤维长度不断增大，到
成熟材时纤维长度趋于稳定，所以本研究根据纤维
长度划分每个无性系的幼龄材和成熟材，在每个无
性系 3 个单株的基部各截取20 cm的圆盘，测定每个
年轮早晚材的纤维长度和年轮宽度。所有试验项目
的试样均分别从幼龄材与成熟材部位分别取样，不
同物理力学性质测定试样数量见表 2，3。
本文所测定的物理力学性质包括基本密度、气
干密度、端面硬度、径面硬度、弦面硬度、顺纹抗压强
度、顺纹抗拉强度、径向抗劈力、弦向抗劈力、抗弯强
度、抗弯弹性模量、冲击韧性、径向抗剪强度和弦向
抗剪强度共 14 个性状，测试方法按照 GB 1927—
1943—80《木材物理力学性质试验方法》进行。测
试工作在东北林业大学材料科学与工程学院木材学
实验室完成。
1. 4 数据处理
用单株平均值进行无性系间成熟材或幼龄材各
性状的单因素方差分析和无性系内成熟材与幼龄材
间各性状的单因素方差分析，将 3 个分生株测定值
合并计算不同无性系各性状的变异系数。
用 Excel 2003 和 SPSS16. 0 进行数据整理分析
(卢纹岱，2002)。
2 结果与分析
2. 1 无性系生长差异和纤维长度变化
宛楸 8401、宛楸 8402 和金丝楸的生长情况如
表 1 所示。3 个无性系 21 年生时树高(F =
43. 832＊＊)、胸径(F = 75. 077＊＊)差异极显著，树高最
高的为宛楸 8402，其次为宛楸 8401，金丝楸最小;
胸径最大的为宛楸 8401，其次为宛楸 8402。
随树龄的不断增大，纤维长度呈不断增大至稳
定的趋势(图 1) ，3 个无性系均表现为 10 年生时纤
维长度基本达到稳定，因此，10 年生时即达到成熟
材的标准，将造林前 10 年生长的木材划分为幼龄
材，10 年后生长的木材划分为成熟材。早材纤维长
721
林 业 科 学 49 卷
度小于晚材，宛楸 8401 的纤维长度最长，达到稳定
时早材和晚材的纤维长度分别为 979 μm 和
1 228 μm，宛楸 8402 次之(早材和晚材的纤维长度
分别为 862 μm和 1 086 μm) ，金丝楸最短(早材和
晚材的纤维长度分别为 852 μm和1 058 μm)。10 年
生时3个无性系各单株的年轮宽度见图2。各无性系
10年生时金丝楸生长最差，其年轮宽度累计最小的
单株为 41 mm。
表 1 3 个楸树无性系生长情况
Tab. 1 Growth conditions of three clones
无性系
Clones
分生株
Ramets
胸径
Breast diameter /cm
树高
Height /m
枝下高
Clear bole height /m
冠幅 Crown width /m
南北向 NS trending 东西向 EW trending
1 25. 80 12. 80 6. 50 2. 00 4. 40
宛楸 8401 2 25. 40 13. 10 7. 00 2. 20 4. 80
Wanqiu 8401 3 28. 40 12. 50 6. 50 2. 30 4. 40
平均值 Mean 26. 50 12. 80 6. 70 2. 20 4. 50
1 29. 70 12. 10 6. 00 2. 30 4. 90
宛楸 8402 2 29. 40 12. 20 6. 00 2. 00 3. 80
Wanqiu 8402 3 31. 20 11. 70 7. 00 2. 40 4. 45
平均值 Mean 30. 10 12. 00 6. 30 2. 20 4. 40
1 21. 50 9. 30 6. 00 3. 20 3. 30
金丝楸 2 21. 00 9. 90 6. 00 3. 00 3. 30
Jinsiqiu 3 22. 00 10. 00 7. 50 4. 50 4. 40
平均值 Mean 21. 50 9. 70 6. 50 3. 60 3. 70
F 43. 832＊＊ 75. 077＊＊ 0. 083 1. 871 0. 644
图 1 随树龄增大纤维长度的变化
Fig. 1 Changes of fiber length with the increase of the tree age
图 2 不同无性系 10 年生时年轮宽度累计
Fig. 2 Cumulative ring width differences of ten years old clones
2. 2 不同无性系成熟材物理力学性质差异
2. 2. 1 物理性质差异 木材密度是木材物理性质
中最重要的指标，同时也是影响木材物理力学性质
的重要参数(童再康等，2002) ，宛楸 8401、宛楸
8402 和金丝楸成熟材的基本密度分别为 0. 430，
0. 385 和 0. 429 g·cm －3，气干密度分别为 0. 502，
0. 450 和 0. 502 g·cm －3，宛楸 8402 的基本密度和气
干密度显著低于宛楸 8401 和金丝楸(表 2)。
木材在干燥时，其尺寸和体积随着水分的散失
而减小，称干缩。干缩系数是反映木材在干燥过程
中收缩程度的一个指标，与木材中射线细胞的数量
和分布有关(童再康等，2002)。木材的干缩系数越
高，表明木材干燥后尺寸和体积的变化越大(成俊
卿，1985)。宛楸 8401、宛楸 8402 和金丝楸成熟材
的体积干缩系数分别为 0. 397%，0. 397% 和
0. 396%，无性系间差异不显著(表 2)。
2. 2. 2 力学性质差异 分别对 3 个无性系成熟材
的各种力学性质进行统计分析，结果见表 2。金丝
楸的端面硬度、径面硬度、弦面硬度均显著高于其他
2 个 无 性 系，分 别 是 3 843. 154，3 305. 452，
3 523. 913 N，其中端面硬度最大;顺纹抗压强度和
顺纹抗拉强度在无性系间均存在极显著差异，抗压
强度和抗拉强度的大小依次为金丝楸 ＞宛楸8401 ＞
宛楸 8402;抗弯强度也是金丝楸最高(113. 897
MPa) ，宛楸 8402 最低(85. 773 MPa) ;金丝楸
(9. 186 GPa)和宛楸 8401(9. 183 GPa)的抗弯弹性
821
第 9 期 麻文俊等:楸树新无性系木材的物理力学性质 921
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模量极显著高于宛楸 8402(7. 412 GPa) ;宛楸 8401
和金丝楸的冲击韧性相近，分别为宛楸 8402
(17. 744 kJ·m －2)的 1. 75 倍和 1. 84 倍;弦向抗剪
强度和径向抗剪强度都是金丝楸最高，宛楸 8401 次
之，宛楸 8402 最低，无性系间差异均极显著。弦面
抗劈力和径面抗劈力在无性系间差异不显著，宛楸
8401、宛楸 8402 和金丝楸成熟材的弦面抗劈力分别
为 13. 496，12. 848 和 13. 393 N·mm －1，径面抗劈力
分别为 12. 907，12. 461 和 12. 592 N·mm －1。宛楸
8401 和金丝楸的性质相似，与宛楸 8402 有显著
差别。
成熟材的不同性质在无性系内试样间的变异程
度差异较大，在所测定的性质中，径面硬度、弦面硬
度、抗拉强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、
弦向抗剪强度、弦面抗劈力和径面抗劈力的变异系
数均高于 10%，其中径面硬度的变异系数变幅为
12. 59% ～ 21. 63%，抗弯强度的变异系数变幅为
12. 90% ～26. 99%，说明株内成熟材的力学性质存
在一定差异，并且不同的无性系株内差异不同。
2. 3 不同无性系幼龄材物理力学性质差异
2. 3. 1 物理性质差异 宛楸 8401 和金丝楸幼龄材
的基本密度相近，分别为 0. 410 和 0. 405 g·cm －3，宛
楸 8402 极显著低于宛楸 8401 和金丝楸，气干密度
与基本密度相同，也是宛楸 8401 和金丝楸极显著高
于宛楸 8402(表 3)。宛楸 8401、宛楸 8402 和金丝
楸幼龄材的体积干缩系数分别为 0. 363%，0. 366%
和 0. 416%，无性系间差异不显著(表 3)。
2. 3. 2 力学性质差异 无性系幼龄材的各种力学
性质见表 3。幼龄材的端面硬度、弦面硬度、径面硬
度在无性系间差异均极显著，都是金丝楸最高、宛楸
8401 次之、宛楸 8402 最低;顺纹抗压强度和顺纹抗
拉强度在无性系间均存在极显著差异，宛楸 8401、
宛楸 8402、金丝楸的抗压强度和抗拉强度分别为
40. 566，31. 825，42. 051 MPa 和 95. 186，74. 532，
111. 486 MPa;无性系的抗弯强度和抗弯弹性模量
差异极显著，金丝楸的抗弯强度最高(104. 676
MPa) ，是宛楸 8401 的 1. 17 倍和宛楸 8402 的 1. 47
倍;宛楸 8401 和金丝楸幼龄材的冲击韧性极显著
高于宛楸 8402(16. 085 kJ·m －2) ;3 个无性系幼龄
材的弦向抗剪强度差异达显著水平，而径向抗剪强
度差异极显著，弦面抗劈力和径面抗劈力在无性系
间差异不显著。
幼龄材的不同性质在无性系内试样间的变异程
度差异较大，其中，抗拉强度、抗弯强度、抗弯模量、
冲击韧性、弦向抗剪强度、弦面抗劈力和径面抗劈力
的变异系数均高于 10%，并且抗拉强度和冲击韧性
的变异系数甚至高于 20%，说明株内幼龄材的物理
力学性质存在一定差异，并且不同的无性系株内差
异不同。
2. 4 不同无性系成熟材和幼龄材间物理力学性质
差异显著性分析
对无性系成熟材和幼龄材的物理力学性质方差
分析结果见表 4。基本密度、气干密度、端面硬度、
径面硬度、弦面硬度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、
抗弯强度、抗弯弹性模量、径向抗剪强度、弦向抗剪
强度和冲击韧性在无性系间以及成熟材和幼龄材间
均存在显著差异;径向抗劈力和弦向抗劈力在成熟
材和幼龄材间差异显著，无性系间差异不显著;体
积干缩系数在无性系间、成熟材和幼龄材间均无显
著差异。除了体积干缩系数以外，其他性状无性系
的方差分量均在 46%以上，成熟材和幼龄材的方差
分量在 6. 5%以上，说明不同无性系物理力学性状
的差异主要是来源于无性系间的差异，其次为成熟
材和幼龄材的差异，依据无性系间差异进行无性系
选择可以获得可靠的结果。
2. 5 楸树无性系与其他常用珍贵树种木材物理力
学性质比较
楸树木材(长期以来被称为梓木)由于其具有
纹理直、结构粗、干燥容易、无翘裂、干后尺寸稳定、
耐腐强等优良特性，早在汉代就已被做成梓棺，属于
我国所特有的珍贵材种。选择与楸树同属的滇楸
(云南，Catalpa fargesii f． duclouxii) ，以及我国不同
地区所特有的 4 种珍贵用材树种黄菠萝(东北，
Phellodendron amurense)、核桃楸 (东北，Juglans
mandshurica)、红椿(云南，Toona ciliata)、香樟(安
徽，Cinnamomum camphora) (成俊卿，1985)与楸树
新无性系进行比较(由于楸树幼龄材生长较快，21
年生时成熟材和幼龄材比例近乎均等，所以将幼龄
材与成熟材的材性数据平均后代替整体材性数值，
表 5)。宛楸 8401 和金丝楸的基本密度与香樟和核
桃楸相近，较滇楸和红椿高，宛楸 8402 较低;楸树
无性系的体积干缩系数高于滇楸、香樟和黄菠萝，却
比红椿和核桃楸低，3 个无性系中金丝楸最高;宛
楸 8401 和 8402 的端面硬度低于金丝楸和 4 种珍贵
树种，而宛楸 8401 却高于滇楸;宛楸 8401 和金丝
楸的顺纹抗压强度明显高于滇楸、香樟和红椿，而
8402 却较低，与滇楸相近;宛楸 8401 和金丝楸的抗
弯强度均高于滇楸、黄菠萝、红椿和香樟，与核桃楸
相近;宛楸 8401 和金丝楸的抗弯弹性模量与黄菠
萝、红椿和香樟相近，高于滇楸，宛楸 8402 较低。总
031
第 9 期 麻文俊等:楸树新无性系木材的物理力学性质 131
林 业 科 学 49 卷231
第 9 期 麻文俊等:楸树新无性系木材的物理力学性质 331
林 业 科 学 49 卷
体来看，宛楸 8401 和金丝楸的木材物理力学性质相
近，并且与香樟和黄菠萝相近，优于滇楸和红椿，但是
比核桃楸稍差一些，宛楸 8402与滇楸和红椿相近。
3 讨论
木材的物理力学性质在树种内与树种间、人工
林和天然林间、成熟材和幼龄材间都存在较大的差
异。如杉木(Cunninghamia lanceolata)、长白落叶松
(Larix olgensis)木材在成熟材与幼龄材间存在显著
差异(鲍甫成等，1998) ;赵志才等(1995)对陕西杨
凌地区 4 个毛白杨(Populus tomentosa)人工栽培种
的研究表明，木材解剖特征、物理力学性质都存在不
同程度的差异;顾万春等(1998)对 10 个 13 年生毛
白杨无性系进行材性测定，结果表明木材全年密度、
早材密度和晚材密度在无性系间均存在极显著差
异;22 个种源火炬松(Pinus taeda)和 8 个种源湿地
松(Pinus elliottii)的木材密度和管胞长度在种源间
和种源内单株间均表现出显著差异，但株间差异较
种源间差异显著得多(管宁等，1993)。虽然宛楸
8401、宛楸 8402 和金丝楸都属于楸树，但是在人工
林中 3 个无性系的木材物理力学性质存在显著差
异，其中宛楸 8401 和金丝楸相近，宛楸 8402 较差;
3 个无性系的成熟材主要物理力学性质均显著优于
幼龄材。由于宛楸 8401 的生长量极显著高于金丝
楸，所以宛楸 8401 优于金丝楸;虽然宛楸 8402 的
主要物理力学性质较金丝楸稍差，但生长量最大，所
以应依据不同的利用方向进行宛楸 8402 与金丝楸
的培育。
由于木材的主要物理力学性质在 3 个楸树无性
系间、成熟材和幼龄材之间均存在显著差异，并且由
于楸树的地理分布区域较广，立地条件差异很大，所
以应当从遗传改良、培育方法和加工利用方式 3 个
方面入手来提高楸树的利用效率和经济效益。遗传
改良方面可通过杂交育种、转基因育种等方式，提高
幼龄材和成熟材的材性质量，其中杂交育种是目前
使用最为广泛的遗传改良手段之一，通过对现有收
集保存的基因资源进行物理力学性能测定，选择物
理力学性能较高的基因型与生长量大的基因型进行
人工授粉，使得双亲优良性状得到聚合，获得生长量
大且材质性能优良的新品种。对培育方法的研究主
要是立地条件选择、造林密度、抚育间伐措施等，依
托不同生态区的试验基地在差异立地条件下建立密
度试验林和抚育间伐试验林，为不同生态区不同立
地条件分别选择适宜的造林密度和抚育间伐措施。
在加工利用方面就是针对幼龄材和成熟材制定不同
的利用目标以及不同的深加工工艺体系，使对木材
的利用率达到最大化，同时能够产生较高的经济效
益。例如对幼龄材进行胶接和涂饰性能研究，可以
代替实体木材用于室内装修、实体木材制品使用，胶
接刨切薄木可用于木地板的表面装饰等，以解决大
径级珍贵材种的刨切薄木供应匮乏问题。
4 结论
1)宛楸 8401、宛楸 8402 和金丝楸的木材物理
力学性质差异显著，宛楸 8401 的材质与生产上广泛
推广应用的品种金丝楸相近，优于宛楸 8402，并且
由于宛楸 8401 的生长量显著高于金丝楸，因此宛楸
8401 较金丝楸更适合进行推广应用。
2)成熟材与幼龄材材性差异显著，成熟材材质
优于幼龄材，应通过遗传改良途径，减小幼龄材所占
比例，并且对成熟材和幼龄材制定不同的利用目标。
3)与几个我国乡土珍贵树种的材性比较表明，
宛楸 8401 和金丝楸与香樟和黄菠萝相近，优于红
椿，但是比核桃楸稍差，宛楸 8402 与红椿相近。
参 考 文 献
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( 责任编辑 石红青)
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